Metalle: Eigenschaften, Aufbau und Verwendung

Ein Kupferdraht leitet Strom. Ein Metalllöffel wird in heißem Tee schnell warm. Alufolie lässt sich leicht formen. Hinter diesen Beobachtungen stehen vier typische Eigenschaften von Metallen. Die Tabelle zeigt sie.

Ein Element ist ein Grundstoff. Man kann ihn chemisch nicht in andere Stoffe zerlegen. Alle Elemente stehen in einer großen Tabelle, dem Periodensystem. Etwa 80 Prozent dieser Elemente sind Metalle. Beispiele sind Aluminium, Eisen, Kupfer, Silber und Gold.

Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen. Ein Atom ist das kleinste Teilchen eines Elements. In einem festen Metall liegen sehr viele Atome ordentlich in Reihen und Schichten.

Jedes Metallatom gibt einige seiner äußeren Elektronen ab. Elektronen sind noch viel kleinere Teilchen. Sie tragen eine negative Ladung, also eine Minusladung. Im Metall gehören diese Elektronen nicht mehr zu einem bestimmten Atom. Sie bewegen sich frei zwischen allen Atomen. Fachleute nennen sie auch delokalisierte Elektronen. Zusammen heißen sie Elektronengas, weil sie sich ähnlich frei bewegen wie die Teilchen eines Gases.

Zurück bleiben positiv geladene Teilchen, die Atomrümpfe. Ein Atomrumpf ist der Rest des Atoms: der Atomkern, also die winzige Mitte des Atoms, mit den inneren, fest gebundenen Elektronen. Die Atomrümpfe bilden das Metallgitter. Sie bleiben an ihren Plätzen und zittern dort nur hin und her. Plus und Minus ziehen sich an. Diese Anziehung hält das Metall zusammen. Nach außen ist das Metall insgesamt nicht geladen.

Strom: In einem geschlossenen Stromkreis mit einer Batterie wandern die freien Elektronen gemeinsam in eine Richtung, zum Pluspol. Weil bewegliche geladene Teilchen da sind, fließt Strom durch das Metall.

Wärme: Wird ein Metall an einer Stelle heiß, zittern die Atomrümpfe dort stärker. Sie geben diese Bewegung an die freien Elektronen weiter. Die Elektronen tragen sie durch das Gitter zu anderen Atomrümpfen. Deshalb wird auch das obere Ende eines Metalllöffels im heißen Tee warm.

Glanz: Licht fällt auf eine glatte Metallfläche. Die freien Elektronen geben einen großen Teil davon wieder ab. Die Fläche wirft das Licht zurück und glänzt oder spiegelt.

Verformen: Beim Biegen oder Hämmern rutschen Schichten der Atomrümpfe aneinander vorbei. Das Elektronengas bleibt zwischen ihnen. Es hält das veränderte Gitter weiter zusammen. Deshalb bricht ein Metall meist nicht gleich.

Vertiefung – Was geschieht beim Erhitzen? Wird ein Metall wie Kupfer heißer, zittern die Atomrümpfe stärker. Sie stehen den wandernden Elektronen öfter im Weg. Darum leitet ein heißes Metall Strom schlechter. Mehr Teilchenbewegung bedeutet hier also keine bessere Stromleitung.

Metalle lassen sich nach verschiedenen Merkmalen ordnen. Du musst immer sagen, nach welchem Merkmal du ordnest.

Nach der Dichte: Die Dichte sagt, wie viel Masse in einem bestimmten Raum steckt. Stell dir einen Würfel des Stoffes mit 1 Zentimeter Kantenlänge vor. Die Dichte sagt, wie viel Gramm er wiegt. Leichtmetalle haben eine Dichte unter 5 Gramm pro Kubikzentimeter. Aluminium mit 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter gehört dazu. Schwermetalle haben eine Dichte von mindestens 5 Gramm pro Kubikzentimeter. Silber mit 10,5 und Gold mit 19,32 Gramm pro Kubikzentimeter gehören dazu. Das Wort „Schwermetall“ beschreibt in dieser Einteilung nur die Dichte. Es sagt hier nichts darüber, ob ein Metall giftig ist oder wie leicht es reagiert.

Nach der Reaktion mit Sauerstoff: Unedle Metalle reagieren vergleichsweise leicht, zum Beispiel mit dem Sauerstoff der Luft. Dabei entsteht ein neuer Stoff, ein Metalloxid. Allgemein gilt: Metall + Sauerstoff → Metalloxid. Edle Metalle wie Gold reagieren nur wenig mit Sauerstoff. Die genaue Reihenfolge vieler Metalle lernst du später in einer Redoxreihe kennen. Aus der Dichte kannst du sie nicht ablesen.

Reines Metall oder Legierung? Eine Legierung ist nicht dasselbe wie ein einzelnes Metall. Man stellt sie her, um Eigenschaften eines Werkstoffs gezielt zu verändern. Reines Silber und reines Gold sind zum Beispiel für viele Schmuckstücke zu weich. Sie werden deshalb oft als Legierung verarbeitet.

Für eine Aufgabe wählt man ein Metall, dessen Eigenschaften zu dieser Aufgabe passen. Die Tabelle zeigt Beispiele.

Eine typische Metalleigenschaft reicht nicht immer als einziger Grund für die Wahl. Für ein echtes Bauteil zählen oft noch mehr Dinge. Wichtig können die Stabilität und der Schutz vor Rost und anderen Schäden sein. Auch die Schmelztemperatur und die Eigenschaften einer Legierung spielen eine Rolle.